SPECTROMÉTRIE UV / VISIBLE 1- Introduction- - IUT Annecy

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________SPECTROMÉTRIE UV / VISIBLELa spectrophotométrie UV / Visible repose sur l'interaction du rayonnementélectromagnétique et de la matière dans le domaine s'étendant du proche UV au très procheIR soit entre 180 et 1100 nm. Cette partie du spectre est relativement pauvre eninformations sur la structure des composés moléculaires. En revanche, l'absorbance descomposés dans le proche UV et le visible est exploitée en analyse quantitative parapplication de la loi de Beer-Lambert. La méthode s’applique non seulement aux composésqui présentent une absorption dans le visible mais également aux composés dont un dérivéobtenu par une réaction chimique présente une telle absorption.1- Introduction-Le domaine spectral concerné est subdivisé en trois plages appelées proche UV, visible ettrès proche IR (185-400 ; 400-800 ; 800-1100 nm ; Fig. 1). La plupart des spectrophotomètrescommerciaux recouvrent la gamme allant de 190 à 950 nm. L'absorption desrayonnements par les molécules dans cette gamme de longueur d'onde est due au passagedu niveau fondamental à un niveau excité sous l’effet du rayonnement ; plus précisément aupassage d’un électron d’un niveau électronique à un autre niveau électronique d’énergiesupérieure. Le document de base fourni par les spectrophotomètres, appelé spectre,correspond au tracé des variations de l’absorbance en fonction de la longueur d'onde desphotons incidents.Figure 1. Le spectre électromagnétique (source : Organic chemistry on line).L'énergie totale d'une molécule est la somme d'une énergie électronique notée E élec ,caractéristique des orbitales moléculaires construites à partir des orbitales atomiques desatomes qui constituent la molécule, d'une énergie de vibration notée E vib et d'une énergie derotation notée E rot .1

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________L'énergie de vibration correspond au déplacement des noyaux d'une molécule les uns parrapport aux autres (vibration autour de la distance d’équilibre). Elle est quantifiée ; sachantqu'une liaison dont la fréquence de vibration est ν ne peut absorber une radiation qu'à lacondition que celle-ci ait cette fréquence, l'énergie de la liaison en question ne s'accroîtraque de hν, énergie d’un photon. La théorie quantique précise les conditions de transition(règles de sélection). L'expression simplifiée donnant les valeurs possibles de E vib s'écrit :E vib= hν⋅ V( + 1/ 2)avec V = 0, 1, 2 ... nombre quantique de vibration. V, en absorption, ne peut varier que d'uneunité ce qui donne ∆E vib = hν. A température ordinaire, les molécules sont dans l'étatfondamental V = 0 soit E vib = 1/2 hν. C'est la vibration de point zéro. Les différents niveauxde vibration sont équidistants.L'énergie de rotation est attribuée aux mouvements de rotation de la molécule autour dedirections internucléaires privilégiées. Elle est également quantifiée et a pour expressionsimplifiée :2 1E rJ ⋅( J + 1)⋅h2I= (molécule diatomique)où J est le nombre quantique de rotation qui peut prendre toutes les valeurs entières 0, 1,2... et I le moment d'inertie de la molécule par rapport à l'axe considéré. La distance entreniveaux voisins croit avec J. Le nombre quantique de vibration ne peut varier que d’une unitéau cours d’une transition :∆J = ±1Le rapport entre E élec , E vib et E rot s'établit comme suit : 1000:50:1. Tout se passe comme sichaque niveau électronique comportait des niveaux de vibration qui, eux-mêmes,comportaient des niveaux de rotation. Pour construire le diagramme énergétique d’unemolécule (Fig. 2), on commence par tracer les niveaux électroniques. A chaque niveauélectronique, on ajoute les énergies de vibration possibles ; à chaque niveau de vibration, onajoute les énergies de rotation possibles.Figure 2. Diagramme énergétique pourune molécule diatomique avec deuxniveaux électroniques (le fondamental etle premier niveau excité), les niveaux devibration (traits horizontaux longs) et lesniveaux de rotation (traits horizontauxcourts). Source : Hyperphysics.2

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________L'absorption dans le domaine de l'UV / visible correspond au passage d'un niveauélectronique à un autre. Mais il y a également variation des termes E vib et E rot avec les règlesde sélection suivantes :∆V= ± 1 & ∆J= ± 1La figure 3 reprend un diagramme énergétique et montre des transitions permises sousl’effet d’un rayonnement UV/visible.Figure 3. Diagramme énergétique d’une molécule et quelques-unes unes des transitions permises.Remarque :Les transitions dans le domaine UV/visible concernent les niveaux les plusénergétiques, les électrons les moins liés de la molécule.3

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________2- Les spectres dans l'UV / visible--Les spectres dans l’UV / visible donnent la transmittance ou l’absorbance de l’échantillonanalysé en fonction de la longueur d’onde du rayonnement ou parfois du nombre d’onde,son inverse. La transmittance, notée T, est donnée par :IT = (équation1)I 0où I 0 est l’intensité incidente et I, l’intensité transmise. L’absorbance est définie par :A = −logT(équation2)Cette dernière grandeur est très utile en analyse quantitative par application de la loi deBeer-Lambert que nous verrons plus loin. Plus un composé est absorbant, plus latransmittance est faible et plus l’absorbance est élevée.Lorsqu'on étudie un composé à l'état gazeux, sous faible pression et pour peu que cecomposé ait une structure simple, on obtient un spectre de raie ayant une structure fine.Chacune des transitions permises au regard des règles de sélection donne lieu à un picparfaitement défini. C'est le cas des vapeurs d'iode dont une partie du spectre estreprésenté sur la figure 4.Figure 4. Partie du spectre d’une vapeur d’iode (Analyse Chimique, Ed. Dunod, F. & A. Rouessac)En revanche lorsque le composé se trouve à l'état condensé, liquide ou solide, le spectre estbeaucoup moins résolu en raison des interactions entre molécules qui se trouvent être plusproches les unes des autres. En fait, les nombreuses interactions modifient de façondifférente les niveaux énergétiques des différentes molécules et les niveaux bien définisdeviennent des bandes lorsqu’on superpose les différents diagrammes énergétiques. Lespectre de raies devient un spectre de bandes. C'est en particulier le cas du benzène ensolution (fig.5).4

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 5. Spectre du benzène en solution (a) et sous forme de vapeur (b)(Analyse Chimique, Ed. Dunod, F. & A. Rouessac)L'enveloppe générale de la courbe correspond au passage du niveau électroniquefondamental à un niveau électronique excité. On distingue clairement des maxima et desminima locaux qui correspondent à des changements d'énergie de vibration. Mais lastructure fine de la vapeur a disparu ; on ne distingue plus les pics correspondant à unchangement d'énergie de rotation. Chaque transition de vibration qui était composée d'uncertain nombre de transitions de rotation est désormais une bande d'énergie.3- Origine des absorptions-L’absorption dans le domaine UV / visible est due au passage d'un niveau électronique à unautre d’énergie supérieure avec changement des niveaux de vibration et de rotation ; aucours de ce processus, un électron passe d’une orbitale moléculaire à une autre d’énergiesupérieure. Nous allons dans un premier temps ne considérer que les composés de lachimie organique. Seules les orbitales moléculaires construites à partir d’orbitales atomiquess et p sont à prendre en compte.Rappel de 1 ère année :Les orbitales moléculaires (OM) construites à partir des orbitales atomiques (OA) s et psont de différents types :- σ construites à partir d'OA ayant un recouvrement axial ;- π construites à partir d'OA ayant un recouvrement latéral ;- n OM non liantes ;- π* OM antiliantes ;- σ* OM antiliantes.Les orbitales non liantes correspondent aux doublets électroniques (lone pairs) desatomes O, N, S, Cl avec des énergies peu modifiées par rapport à celles des OAparentes.La figure 6 présente les transitions observées en chimie organiques. Examinons lesdifférentes transitions possibles.5

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 6. Transitions électroniques rencontrées en chimie organique. Source : www.shu.ac.ukTransitions σ- σ*Les OM σ sont des orbitales très stables. La différence d'énergie entre les OM σ et σ*est relativement élevée. La transition σ- σ* est située dans le lointain UV vers 130 nm(éthane 135 nm). Ainsi, les hydrocarbures saturés qui ne renferment que les OM dece type tels l'hexane ou le cyclohexane sont pratiquement transparents dès le procheUV.Transitions n - σ*Les composés constitués d’un ou plusieurs atomes (O, N S, Cl) porteurs de doubletsélectroniques libres (lone pairs ; niveaux n) présentent ce type de transitions (Fig. 6).Les énergies mises en jeu sont généralement inférieures à celles des transitions σ -σ*. Elles correspondent à des longueurs d’onde comprises entre 150 et 250 nm.Exemples :183 nm pour le méthanol ;210 nm pour l’éthylamine ;179 nm pour le chloro-1-butane.Le nombre de groupes fonctionnels présentant de telles transitions dans le domainevisible du spectre est très réduit. Le coefficient d’absorption varie de 100 à 5000 Lmol -1 cm -1 .Transitions n - π*Ce type de transitions peu intense est rencontré dans le cas de moléculescomportant un atome porteur de doublets électroniques libres (présence de niveauxn) appartenant à un système insaturé (présence de niveaux π*). La plus connue estcelle qui correspond à la bande carbonyle (Fig. 7) ; elle se situe entre 270 et 290 nm.Le coefficient d’absorption est généralement compris entre 10 et 100 L mol -1 cm -1 .Exemple :293 nm pour l’éthanal avec ε = 12 L mol -1 cm -1 dans l’éthanol.Transitions π - π*Les composés qui possèdent une double liaison éthylénique isolée conduisent à uneforte bande d'absorption vers 170 nm avec un coefficient d’absorption allant de 1000à plus de 10 000 L mol -1 cm -1 .Exemple :165 nm pour l’éthylène avec ε = 16 000 L mol -1 cm -1 .6

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 7. Représentation schématique des transitions n → π* et π → π* d’un groupement carbonyle.(Analyse Chimique, Ed. Dunod, F. & A. Rouessac)En chimie minérale, de nombreux composés comportent des électrons engagés dans desOM d (ces orbitales proviennent des OA d) ; cela conduit à des transitions de faible intensitésituées dans le domaine visible, responsables de colorations. Ainsi les solutions de selsmétalliques de titane (Ti(H 2 O) 6 ) 3+ et de cuivre ( Cu(H 2 O) 6 ) 2+ sont bleus. Le bichromate depotassium, KCr 2 O 7 , et le permanganate de potassium, KMnO 4 , sont respectivement jaune etviolet.Association donneur - accepteurIl peut se produire qu'un composé, transparent dans un domaine spectral lorsqu'il estpris à l'état isolé, devienne absorbant s'il est mis en présence d'une espèce aveclaquelle il interagit par un mécanisme de type donneur – accepteur. Au cours de ceprocessus, un électron d’une orbitale liante du donneur (qui devient donc un cationradicalaire) passe sur une orbitale vacante de l’accepteur (qui devient anionradicalaire) d’énergie proche. La position de la bande d’absorption correspondantedépend des niveaux mis en jeux, c’est-à-dire du potentiel d’ionisation du donneur etde l’affinité électronique de l’accepteur (voir cours de chimie de première année).Les groupements chromophoresLes groupements chromophores des composés organiques sont, à la ressemblancedes fonctions, des groupements d'atomes responsables d'absorption caractéristiqueslorsqu'ils sont isolés (séparés par au moins deux liaisons simples). Ils n’interagissentalors pas les uns sur les autres et on observe la superposition des effets de chaquegroupe. Dans le cas où les groupes chromophores sont plus proches les uns desautres et interagissent (on parle alors de systèmes conjugués de chromophores), lesbandes d’absorption sont déplacées vers les grandes longueurs d’onde (effetbathochrome et les absorptions sont plus intenses (effet hyperchrome). A cesdéplacements s’ajoutent ceux qui sont dus aux interactions avec le solvant liés à lapolarité de ce dernier.7

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Tous ces effets font qu'il est très difficile de tirer des informations concernant la structured'une molécule ou même des informations sur la présence de certains groupements. Laspectrométrie UV / Visible est principalement un outil d'analyse quantitative de substancesdont le spectre est connu.Tableau 1. Chromophores de quelques groupements azotés.NOM DU CHROMOPHORE FORMULE λ max (nm) ε max (L.mol -1 .cm -1 )amine ― NH 2 195 3 000oxime = NOH 190 5 000nitro ― NO 2 210 3 000nitrite ― ONO 230 1 500nitrate ― ONO 2 270 12notroso ― N = O 300 1004- Le matériel-4.1- Deux types d'appareils-Il existe dans le commerce différents modèles de spectrophotomètres.Tout d'abord les spectrophotomètres de type monofaisceau dont un schéma de principe estreprésenté sur la figure 8. Il y a deux possibilités selon que l'on travaille en faisceaumonochromatique ou non.Source lumineuse ==> Echantillon ==> Système dispersif ==> détecteur polychromatiqueIl y a, dans ce cas, acquisition instantanée de l’ensemble du spectre. Le système dispersifpeut être un prisme et le détecteur une barrette de photodiodes.Source lumineuse ==> Monochromateur ==> Echantillon ==> détecteur (Fig. 8)On acquiert le spectre en effectuant un balayage en longueur d’onde à l’aide du réseaumonochromateur. C’est ce type de spectrophotomètre que vous utilisez en TP, série CATSou SPECTRO, et plus particulièrement le modèle présenté en figure 9.Figure 8. Représentation schématique d’un spectrophotomètre de type monofaisceau àmonochromateur. Source : Analyse Chimique, Ed. Dunod, F. & A. Rouessac.8

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 9. Schéma du trajet optique du spectrophotomètre Cary 50 de Varian. On distingue lescompartiments lampes (en bas à droite), monochromateur avec deux miroirs et un réseau (en haut) etéchantillon (en bas à gauche).Notion de blancLorsqu'une espèce chimique est solubilisée dans un solvant et placée dans une cellule demesure, l'absorption mesurée correspond à trois absorptions différentes :• l'absorption due à la cellule qui peut être en verre, en quartz ou en polymère ;• l'absorption due au solvant ;• l'absorption due à l'espèce chimique dissoute.Les deux premières absorptions ne sont pas dues à l’espèce analysée. Il faut donc lesretrancher. Pour ce faire, on mesure l’absorbance de la cellule avec du solvant et onsoustrait l’absorbance ainsi obtenue (le blanc) à l’absorbance mesurée avec l’espèce quel’on veut étudier. Ceci est rendu possible par l’additivité des absorbance (§ 5.2).Il est nécessaire de faire un blanc lorsqu’on utilise un appareil monofaisceau.Remarque :Lorsqu’on analyse une substance en effectuant un balayage en longueur d’onde pourdéterminer par exemple λ max , longueur d’onde où l’absorption est maximale, il fautégalement retrancher une ligne de base que l’on détermine en effectuant le mêmebalayage avec le solvant sans l’espèce absorbante. Pour la détermination de λ max , onprendra de préférence une solution assez concentrée ; ainsi le pic d’absorption estmieux défini.Il y a ensuite les spectrophotomètres à double faisceau (Fig. 10) avec lesquels il n'est pasnécessaire de faire des blancs ou des lignes de bases. Un faisceau traverse lecompartiment échantillon et le second le compartiment référence. La soustraction du blancest faite automatiquement par le logiciel de traitement.9

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 10. Représentations schématiques de spectrophotomètres de type double faisceau avec deuxtechnologies différentes pour la détection. Source : Analyse Chimique, Ed. Dunod, F. & A. Rouessac.4.2- Les sources lumineuses-Deux sources sont d'utilisation courante dans ce domaine :- la lampe à incandescence à filament de tungstène et enveloppe de verre de silice pour lapartie visible du spectre ;- la lampe à décharge au deutérium sous moyenne pression pour les longueurs d'ondeplus courtes. On opère le changement de lampe vers 350 nm (Figs. 11 & 12).On utilise également des lampes à décharge au xénon (Fig. 12) pour la partie visible duspectre. Pour certains appareils dont la gamme spectrale est limitée à 300 – 1100 nm, il n’ya qu’une lampe au xénon.Figure 11. Spectre cumulé d’émission d’une lampe au deutérium et d’une lampe au tungstène.10

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Figure 12. Photographie de lampes à décharge au deutérium (gauche ; newport.com)et schéma de principe d’une lampe à décharge au xénon.4.3- Les monochromateurs-Le monochromateur est utilisé pour extraire du rayonnement émis par les sources unebande spectrale très étroite dont on peut faire varier la longueur d'onde. Les montagesactuels utilisent un réseau plan ou concave comportant 1200 traits par mm dont la rotationpermet de balayer la zone spectrale entre les limites définies par l'opérateur. La résolution,largeur de la bande spectrale sélectionnée, est de l’ordre de quelques nm (2 nm pour lesbons spectrophotomètres commerciaux).4.4- Les détecteurs-Les détecteurs sont soit des barrettes de photodiode lorsqu’on utilise un système dispersifsoit des photomultiplicateurs (tubes PM ; voir cours d'optoélectronique ; Fig. 13).Figure 13. Schéma de principe du tube PM R6350 de Hamamatsu pour la détection UV / visible..11

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________5- Applications-5.1- Analyse qualitative-Par définition, la spectrométrie UV / Visible s'applique à des produits contenant desgroupements chromophores ayant une structure électronique susceptible, par absorption derayonnement lumineux, de passer à des niveaux d'énergie excités.En milieu organique, il s'agit principalement des molécules contenant :- un ou plusieurs noyaux aromatiques ;- des groupements C=O (aldéhydes ; cétones) ;- des groupements N=O ;- des groupements N=N.Les doubles liaisons C=C uniques ont une absorption vers 180-200 nm et sont plus difficilesà observer. Mais dès que deux doubles liaisons sont conjuguées la bande d'absorption sedéplace vers la plage 250-400 nm.En analyse minérale, on caractérise aussi des ions, généralement en provoquant uneabsorbance très spécifique avec un réactif approprié.La connaissance du spectre d'absorption dans ce domaine de longueur d'onde n'est passuffisante pour déterminer la nature et la structure des composés. Tout d'abord un spectrene présente généralement que peu de bandes et ces bandes, par leur seule position, nesont pas caractéristiques ; des groupements chromophores différents peuvent très bienabsorber la même longueur d'onde en raison des déplacements dus à leur environnement.5.2- Analyse quantitative-En revanche dès que le spectre d'une molécule (d'un groupement chromophore) ou d'un iondans un complexe adapté est connu, il est tout à fait possible de faire de l'analysequantitative. On applique alors la loi de Beer-Lambert :A = Lcε(équation 3)A = absorbance, l = longueur du trajet optique dans la solution, c = concentration en espèceabsorbante et ε = coefficient d’absorption. L’absorbance est une grandeur sans dimensiondonc si la longueur du trajet optique est exprimée en cm alors le produit de la concentrationet du coefficient d’absorption doit être exprimé en cm -1 .Si c est exprimée en mol.L -1 alors les unités de ε sont des L.mol -1 .cm -1 : ε est le coefficientd’absorption molaire.Si c est exprimée en g.L -1 alors les unités de ε sont des L.g -1 .cm -1 : ε est le coefficientd’absorption massique.12

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Démonstration de la loi de Beer-LambertConsidérons le volume de matière absorbante représenté sur la figure 14 :V= S ⋅LFigure 14. Représentation schématique d’un volume de matière absorbante soumis en totalité à unrayonnement monochromatique UV/visible.Un faisceau parallèle de rayonnement monochromatique de puissance P 0 (énergie par unitéde temps et par unité de surface proportionnelle au nombre de photons par unité de tempset par unité de surface) y pénètre perpendiculairement à la surface. Après la traversée d’unelongueur L de matière qui contient n particules absorbantes (molécules, ions ou atomes) sapuissance est réduite à P en raison de l’absorption.Considérons à présent un volume d’épaisseur infinitésimale dx qui contient dn particulesabsorbantes ; à chaque particule, on associe une surface active à l’intérieur de laquelle il y acapture de photons. En d’autres termes, à chaque fois qu’un photon pénètre dans l’une deces surfaces, il est immédiatement absorbé. La projection orthogonale de ces surfacesparallèlement à l’axe du faisceau est notée a et communément appelée section efficaced’absorption. L’aire totale de ces projections dans le volume Sdx s’écrit donc :dS= a ⋅ dnLe rapport de l’aire de capture à l’aire totale de la section dS/S est égal à la probabilité decapture d’un électron par la section dans le volume Sdx.La puissance P x du faisceau rencontrant la section à la distance x de la face d’entrée del’échantillon est proportionnelle au nombre de photons par unité de surface et par seconde ;dP x est la quantité absorbée par seconde par le volume Sdx de l’échantillon. La fractionabsorbée dans le volume Sdx vaut donc :dP−PxxLe signe moins vient du fait que l’intensité diminue. Ce rapport est égal à la probabilité decapture. Nous obtenons donc :13

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________soit encore :dPPxdSSx− =(équation 4)dPPxadnSx− =(équation 5)C’est une équation différentielle du premier ordre à variables séparables que l’on intègreentre les faces d’entrée et de sortie :PdPx− ∫ =PP0xn∫0adnS(équation 6)ce qui donne :−0P =PEn passant aux logarithmes décimaux :anSln (équation 7)P anlog 0 = (équation 8)P 2,303 SOn rappelle que n est le nombre total de particules absorbantes contenues dans le volume Vqui peut s’écrire SL. L’expression précédente est ainsi modifiée :P anLlog 0 = (équation 9)P 2,303 VLe rapport n/V désigne le nombre de particules absorbantes par unité de volume ; il a doncles dimensions d’une concentration. En supposant que le volume est exprimé en cm 3 , ontrouve facilement l’expression de la concentration c en mol.L -1 .Et on obtient finalement :1000nc =236,023 × 10VP0logP=236,023 × 10 acL2,303 × 1000(équation 10)et en rassemblant les termes numériques et la section efficace d’absorption en un seulfacteur ε, coefficient d’absorption molaire :P0Plog (équation 11)= ε Lc = ACette relation constitue précisément la loi de Beer-Lambert.14

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Remarque :Le rapport des puissances P 0 /P est évidemment égal au rapport des intensités I 0 /Ipuisque l’intensité reçue est la puissance multipliée par le temps de mesure.La loi de Beer-Lambert n'est pas toujours suivie par l'échantillon ; les principales causesd'écarts sont les suivantes :- association moléculaire avec le solvant ;- modification chimique sous l'effet du rayonnement ;- fluorescence de l'échantillon ;- impuretés présentes à l'état de traces ;- interaction entre les molécules absorbantes.Il convient de garder des concentrations relativement faibles et espèce absorbante, de veillerà ce que les manipulations n’induisent aucune pollution de l’échantillon et, en tout état decause, de toujours vérifier que le composé analysé (associé à un solvant) suit la loi enquestion. Le tracé de l’absorbance en fonction de la concentration doit être une droitepassant par l’origine si un blanc avec le solvant et la cuve est préalablement soustrait.Une propriété très intéressante de l’absorbance est l’additivité. Supposons qu’un échantillonsoit constitué de deux espèces absorbantes pour un rayonnement monochromatique et quin’interagissent pas. Notons A l’absorbance totale, A 1 l’absorbance en présence de lapremière espèce uniquement et A 2 l’absorbance en présence de la seconde espèceuniquement, les autres paramètres expérimentaux (trajet optique, solvant, cuve, tempsd’analyse…) étant strictement égaux. La loi d’additivité des absorbances s’écrit simplement :A = A 1+ A 2(équation 12)Cette relation se démontre facilement à partir de l’équation 5 qui devient :dPPxa dnSa+dnx 1 1 2 2− =(équation 13)qui traduit le fait que l’absorption est due aux particules de type 1 et aux particules de type 2.En suivant les mêmes étapes du calcul, on aboutit à la relation 12.SIl est ainsi possible de faire de l'analyse multicomposants. Si deux composés mélangésabsorbent à deux longueurs d'ondes distinctes λ a et λ b , on peut écrire :{ c1ε1( λa) c2ε( λb)}{ c ε ( λ ) c ε ( λ )}λa) L2λb) = L1 1 b 2 2A( +A( += (système 14)où c 1 et c 2 sont les concentrations des deux espèces et ε 1 (λ a ) le coefficient d’absorption del’espèce 1 à la longueur d’onde λ a . On obtient ainsi un système de deux équations à deuxinconnues simple à résoudre pour trouver les concentrations. Le problème est aisémentgénéralisable à un mélange de N composés.b15

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________En analyse quantitative, la méthode la plus simple consiste à tracer une droite d’étalonnage(absorbance en fonction de la concentration) à l’aide de solutions parfaitement connues. Laconcentration en espèce absorbante d’un échantillon inconnu (mêmes conditionsexpérimentales) sera immédiatement déduite de son absorbance.Il existe d’autres méthodes que nous verrons en TD et en TP :- la méthode des ajouts dosés (utile quand on a peu d’échantillons à analyser) ;- la méthode de l’étalonnage par ajouts dosés (on construit une droite d’étalonnaged’une manière différente de la précédente).Dans le cas où on étudie des liquides, ces derniers sont placés dans des cuves en quartz(qui présente une absorption très réduite sur la totalité du spectre UV / visible) ou enpolymère (e.g. l’acryl ® qui présente une absorption non négligeable vers les longueursd’onde courtes). Deux faces opposées sont striées pour la préhension ; on évite ainsi lapollution des faces par lesquelles passe le rayonnement lumineux.Figure 15. Cuve pour analyse d’échantillons liquides en spectrométrie UV / visible.Références-Ouvrages :Analyse Chimique, Méthodes et techniques instrumentales modernes, 6 ème éditionF. Rouessac, A. Rouessac, D. Cruché ; Dunod, Paris (2004)Chimie Analytique, 7 ème éditionD.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler; De Boek & Larcier, Paris & Bruxelles (1997)Analyse chimique quantitative de Vogel, 6 ème éditionJ. Mendham, R.C. Denney, J.D. Barnes, M.J.K. Thomas, De Boeck Université (2005)Analytical Chemistry,Séamus P J Higson, Oxford University Press (2003)16

Mesures Physiques Annecy – MPh2 SE3 ME3 – 2011 – Philippe GalezTechniques spectroscopiques d’analyse / Spectrophotométrie UV/visible______________________________________________________________________________________________Sites internet universitaires et recherche :Hyperphysics, Georgia State University, C.R. Nave ; Version CD en vente pour unprix modique (50 $) compte tenu du contenu très riche et très aboutiMichigan State University (www.chemistry.msu.edu)Sheffield Hallam University (www.shu.ac.uk)Organic chemistry on lineSites Internet de fabricants de spectromètres ou d’accessoiresPerkinElmer, Varian, Hamamatsu, Jasco, Shimadzu, Spectronic, Secomam,Oceanoptics, Agilent, Thermo Electron Corporation, Hitachi, Jobin Yvon Horiba,Newport17